JP2007000991A - 非導電性ナノワイヤー及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 有機モット絶縁体となる原料を用い、電極の形状や印加電圧を所定の条件とした電解法により,有機モット絶縁体である非導電性ナノワイヤーを製造する,この方法によれば微細な非導電性ナノワイヤーを効果的に得られる。また,この非導電性ナノワイヤーを用いれば,効果的にトランジスタを製造できる。
【選択図】なし
Description
本発明の非導電性ナノワイヤー(単にナノワイヤーともよぶ)は,幅が構成分子1個分〜1μmであり,長さが1nm〜500μmであり,有機モット絶縁体である非導電性ナノワイヤーである。すなわち,本発明の非導電性ナノワイヤーは,構成分子にフタロシアニンなどの有機物を含むが,導電性に乏しい非導電性ナノワイヤーである。
ナノワイヤーの幅が,均一でない場合,たとえば,その最大幅をナノワイヤーの幅とすればよい。本明細書においてナノワイヤーとは,分子が規則的に整列した,幅分子1個分〜1μm,長さ分子2個分以上(たとえば,長さが1nm〜500μm)の線状,湾曲したワイヤー状,ブロック状などの形状をした物質のことを指す。なお,本明細書において,非導電性ナノワイヤーとは,非導電性ナノワイヤー単独,又は複数のナノワイヤーの集合体(束状集合晶のような状態)のもの,又は電極間に存在するナノワイヤー全体を意味する。
本発明の非導電性ナノワイヤーの製造方法は,基本的には,有機モット絶縁体の原料を含む電解液を用い,最も近接した部位の間隔が1nm〜100μmである2本の電極から最大電位差を10mV〜20Vとする直流電圧または交流電圧のいずれかまたは両方を前記2本の電極に印加することにより非導電性ナノワイヤーを製造する工程を含む,非導電性ナノワイヤーの製造方法である。特に,交流電圧を前記2本の電極に印加することにより,前記2本の電極間に幅が1nm〜1μmであり,長さが1nm〜500μmである非導電性ナノワイヤーを選択的に成長させることができる。従来の超高真空中での分子蒸着法や分子ビーム法などでは,モット絶縁体である非導電性ナノワイヤーを製造することはできなかった。しかしながら,本発明では,閉殻分子のHOMOから1分子につき1個電子が抜き取られ,ナノワイヤーの全部がSOMOとなった状態を作り出すことができ,有機モット絶縁体ナノワイヤーを作製することができる。本発明では,電気分解によってSOMOとなった分子が,電荷共鳴や電荷移動相互作用によって自己組織化し,有機モット絶縁体である非導電性ナノワイヤーを成長させることができるのである。
図1は,本発明の非導電性ナノワイヤーを製造するための電解装置の概略図である。本発明の電解装置は,2本の電極(4)と,電解セル(1)とを有する。また,前記2本の電極に印加する電圧を制御するための図示しない電圧制御装置,及び/または前記2本の電極に供給する電流を制御するための図示しない電流制御装置を有していてもよい。本発明の電解装置は,電解セルに非導電性ナノワイヤーを構成する分子を含む電解液を保持させ,電解液と前記2本の電極とが接触した状態で前記2本の電極に電圧を印加する(または,電流を供給する)ことにより非導電性ナノワイヤーを製造する。
電極に印加される電圧は,電極と連結した電圧制御装置により制御されることが好ましい。なお,電解セル中に参照電極があり,電極間の電位差を測定することができ,その測定結果に応じて電極に電極に印加する電圧を制御することができることはより好ましい。電圧制御装置とともに,または電圧制御装置に変えて電極に供給する電流を制御する電流制御装置であってもよい。
本発明の非導電性ナノワイヤーの製造方法においては,電解装置を用いて行うことが好ましい。非導電性ナノワイヤーを製造する際には,有機モット絶縁体の原料を含む溶液(電解液)を用いることが好ましい。非導電性ナノワイヤーとなる物質を溶解させた電解液に電圧を印加する電解法により非導電性ナノワイヤーを製造できる。
クロロメタン,ジクロロメタン,トリクロロエタン,ブロモメタン,ジブロモメタン,トリブロモメタン,テトラクロロプロパンなどのハロゲン化アルカン;アセトニトリル,アセトン,ベンゼン,ハロゲン化ベンゼン,1−クロロナフタレン,ジメチルスルホキシド,N,N−ジメチルホルムアミド,テトラヒドロフラン,ニトロベンゼン,ピリジンなどが好ましく,ジメチルスルホキシド,アセトニトリル,アセトン,エタノール,メタノールがより好ましく,ジクロロメタン,メタノールが更に好ましい。これらは1種又は2種以上を適宜混合して用いもよい。水又は有機溶剤の割合としては,例えば,非導電性ナノワイヤーとなる物質を飽和させたものがあげられるが,特に限定されるものではない。なお,この溶媒は,有機モット絶縁体を構成する原料となるものであってもよい。非導電性ナノワイヤーが[M(Pc)L2]中性ラジカルであるときの溶媒は,水又は有機溶剤が好ましく,水,アルコール類,アセトン,アセトニトリル,クラウンエーテルのベンゾニトリル溶液,ジメチルスルホキシド,N,N?ジメチルホルムアミド,クロロホルム,ブロモホルム,ジクロロメタン,及びこれら2種以上の混合溶媒がより好ましく,アセトン,アセトニトリル,エタノール,メタノール,ジクロロメタン,ジベンゾ18-クラウン-6の過剰ベンゾニトリル溶液,ブロモホルムとアセトニトリルの混合溶媒,ブロモホルムとアセトンの混合溶媒,クロロホルムとアセトニトリルの混合溶媒,ジメチルスルホキシド,N,N?ジメチルホルムアミドが特に好ましい。このような原材料と溶媒の組み合わせを用いることで,効果的に非導電性ナノワイヤーを得ることができる。
本発明の非導電性ナノワイヤーの製造方法は,基本的には,上記電解セルに電解液を入れ,電極に電圧を印加するか,電流を流すことにより非導電性ナノワイヤーを製造するものである。電極に流される電流としては,直流電流でも交流電流でもよい。電極に流される電流としては,1nA〜1mAが好ましく,100nA〜10μAであればより好ましい。電極間の電位差としては,10mV〜20Vが好ましく,0.1V〜5Vであればより好ましく,0.1V〜3Vであれば特に好ましい。印加する電圧は,交流電圧が好ましく,周波数1mHz〜1kHzが好ましく,500mHz〜10Hzがより好ましい。また,交流電圧の場合には,波形は正弦波,方形波,ノコギリ波などがあげられるが,正弦波,方形波が好ましく,方形波が特に好ましい。交流電圧の振幅として,10mV〜20Vが好ましく,100mV〜5Vであればより好ましく,0.1V〜3Vが特に好ましい。電圧を印加する時間としては,例えば10日以下があげられ,0.01秒から10日が好ましく,1秒から2日であればより好ましいが,得ようとする非導電性ナノワイヤーの大きさ,種類,印加する電圧,印加される電圧などにより適当な時間とすればよく,1分〜10時間,又は10分〜1時間であってもよい。電解液の温度として,-30°C〜200°Cが好ましく,-30°C〜120°Cであればより好ましく,15°C〜30°Cであれば特に好ましいが,電解液が沸騰あるいは凝固していなければ特に限定されない。
図面を用いて本発明のトランジスタを具体的に説明する。図8は,本発明のトランジスタの概略構成図である。図8(A)は,本発明の第1の実施形態に係るトランジスタの正面図である。図8(B)は,図8(A)のI-I断面図である。図8(B)に示されるように,この態様のトランジスタ21は,ソース電極22及びドレイン電極23間が非導電性ナノワイヤー24で連結されるトランジスタである。そして,トランジスタ21は,ソース電極22及びドレイン電極23と,ゲート電極26との間に,絶縁層25を具備する構造を有している。なお,この態様のトランジスタは,ゲート電極26;絶縁層25;及びソース電極22,ドレイン電極23及び非導電性ナノワイヤー24の順に搭載されている。
市販されている試薬瓶を用いて図1で表される電解セルを製造した。図2bに表されるように,銅線と電極の上部とを金線で結んだ。電解液保持部は,試薬瓶の導体部分を用い,基板差し込み部は試薬瓶のキャップ部分を改造して用いた。基板差し込み部にはパテを盛った。試薬瓶の直径は,23mmであった。
非導電性ナノワイヤー成長法に用いる電極をガラス基板上に製造した。
25×10mmのガラス基板を用意し,基板上に白金を蒸着した。フォトレジスト剤S1818(シプレイ・ファーイースト(株)製)を白金を蒸着した基板上にスピンコート塗布した。スピンコーターの回転数は,5000rpmで,90秒間回転塗布を行った。110℃で2分間乾燥して塗膜を形成した。フォトレジスト剤を塗布した基板に電極の形のマスクを通して,水銀灯光源のマスクアライナーを用いて露光した。MicroPosit DeveloPer MF319(シプレイ・ファーイースト(株)製)を用いて60秒間現像を行った。この際,非露光部分は完全に溶解した。ついで純水を用いて洗浄を行った。その後,ドライエッチング装置(サムコ 株式会社RIE-10NR)を用いてエッチングを行った。その後,剥離液に浸し,マスクを基板から除去した。このようにして,酸化膜付きシリコン基板上に白金電極を形成した。それぞれの電極の幅は,1mm,それぞれの電極の長さは,2.0cm〜2.3cm,電極の間隔は20μmであった。
非導電性ナノワイヤー成長法に用いる電極を酸化膜付きシリコン基板上に製造した。
30×10mmの酸化膜付きシリコン基板を用意し,基板上に白金を蒸着した。フォトレジスト剤S1818(シプレイ・ファーイースト(株)製)を白金を蒸着した基板上にスピンコート塗布した。スピンコーターの回転数は,5000rpmで,90秒間回転塗布を行った。110℃で2分間乾燥して塗膜を形成した。フォトレジスト剤を塗布した基板に電極の形のマスクを通して,水銀灯光源のマスクアライナーを用いて露光した。MicroPosit DeveloPer MF319(シプレイ・ファーイースト(株)製)を用いて60秒間現像を行った。この際,非露光部分は完全に溶解した。ついで純水を用いて洗浄を行った。その後,ドライエッチング装置(サムコ 株式会社RIE-10NR)を用いてエッチングを行った。その後,剥離液に浸し,マスクを基板から除去した。このようにして,酸化膜付きシリコン基板上に白金電極を形成した。それぞれの電極の幅は,1mm,それぞれの電極の長さは,2.0cm〜2.3cm,電極の間隔は20μmであった。
非導電性ナノワイヤーの製造方法に用いる電極を酸化膜付きシリコン基板上に製造した。30×10mmの酸化膜付きシリコン基板を用意し,電子線レジストとしてZEP52A(日本ゼオン(株)製)を,スピンコーターを用いて塗布した。乾燥後,電子線リソグラフィ装置ELS-7700(エリオニクス)で先端部分を露光した。露光後,電子線レジストの現像処理を行った。現像後,スパッタ装置でチタンを5nm蒸着後,金を100nm蒸着した。電子線レジストを剥離後,フォトレジストS1818(シプレイ・ファーイースト(株)製)を塗布,乾燥後,露光,現像し,再度チタンを5nm蒸着後,金を100nm蒸着した。剥離液に浸してフォトレジスト剤を剥離した。このようにして,電極を作成した。
このようにして得られた非導電性ナノワイヤーは,長さ500nm〜2μm,幅50nm〜200nmの柱状であった。この際得られた,非導電性ナノワイヤーのSEM写真を図14に示す。
このようにして得られた非導電性ナノワイヤーは,長さ300μm〜5μm,幅50nm〜300nmの針状であった。この際得られた,非導電性ナノワイヤーのSEM写真を図15に示す。
このようにして得られた非導電性ナノワイヤーは,長さ100nm〜1μm,幅50nm〜500nmの柱状であった。この際得られた,非導電性ナノワイヤーのSEM写真を図16に示す。
このようにして得られた非導電性ナノワイヤーは,長さ100nm〜2μm,幅50nm〜500nmの柱状であった。この際得られた,非導電性ナノワイヤーのSEM写真を図17に示す。
2 銅線
3 基板差し込み部
4 電極
5 基板
6 絶縁物
7 金
8 銀ペースト
11 間隔
12 突起部
Claims (19)
- 幅が構成分子1個分〜1μmであり,
長さが1nm〜500μmであり,
有機モット絶縁体である非導電性ナノワイヤー。 - 伝導度が1S・cm-1以下である請求項1に記載の非導電性ナノワイヤー。
- 前記有機モット絶縁体が,有機化合物の結晶を含む有機モット絶縁体である請求項1に記載の非導電性ナノワイヤー。
- 前記有機モット絶縁体が,有機化合物錯体の単結晶,又は有機化合物の単結晶からなる,請求項1に記載の非導電性ナノワイヤー。
- 前記有機化合物の結晶が,dmit錯体類;若しくは,テトラチアフルバレン誘導体,ポルフィリン誘導体,フタロシアニン誘導体,又はこれらの錯体;により構成される請求項1に記載の非導電性ナノワイヤー。
- 前記有機モット絶縁体が,[M(Pc)L2]中性ラジカル結晶(Mは金属を示し,Lは軸配位子を示し,Pcはフタロシアニンを示す。)からなる請求項1に記載の非導電性ナノワイヤー。
- 前記[M(Pc)L2]中性ラジカル結晶が, [Co(Pc)(CN)2]・2CH3OH結晶,[Co(Pc)(CN)2]・2CHBr3結晶,[Co(Pc)(CN)2]・2CH2Cl2結晶,[Co(Pc)(CN)2]・2CHCl3結晶,[Co(Pc)(CN)2]・CH3CN結晶,[Co(Pc)(CN)2]・2(CH3)2SO結晶,[Co(Pc)(CN)2]・2H2O結晶,[Co(Pc)Cl2]・2(CH3)2CO結晶,[Co(Pc)(CN)2]・ 2(CH3)2CO結晶,[Co(Pc)(CN)2]・CH3CH2OH結晶,又は[Co(Pc)Cl2]・CH3CH2OH結晶である請求項6に記載の非導電性ナノワイヤー。
- 有機モット絶縁体の原料を含む電解液を用い,
最も近接した部位の間隔が1nm〜100μmである2本の電極から最大電位差を10mV〜20Vとする直流電圧または交流電圧のいずれかまたは両方を前記2本の電極に印加することにより非導電性ナノワイヤーを製造する工程を含む,
有機モット絶縁体である非導電性ナノワイヤーの製造方法。 - 交流電圧を前記2本の電極に印加することにより,
前記2本の電極間に幅が1nm〜1μmであり,長さが1nm〜500μmである非導電性ナノワイヤーを製造する請求項8に記載の非導電性ナノワイヤーの製造方法。 - ソース電極,ドレイン電極及びゲート電極を具備し,
前記ソース電極及びドレイン電極が,有機モット絶縁体である非導電性ナノワイヤーで連結されるトランジスタ。 - 前記ソース電極及びドレイン電極と,ゲート電極との間に,絶縁層を具備する請求項10に記載のトランジスタ。
- 前記ソース電極及びドレイン電極の最も近接した部位の距離が,1nm〜100μmである請求項10に記載のトランジスタ。
- 前記非導電性ナノワイヤーの幅が構成分子1個分〜1μmであり,長さが1nm〜500μmである,請求項10に記載のトランジスタ。
- 前記非導電性ナノワイヤーの伝導度が1S・cm-1以下である請求項10に記載のトランジスタ。
- 前記ソース電極及びドレイン電極は,それぞれ突起部を有し,
前記突起部は,先端部に複数のくし状突起を有する請求項10に記載のトランジスタ。 - 前記非導電性ナノワイヤーが,有機化合物の結晶を含む請求項10に記載のトランジスタ。
- 前記非導電性ナノワイヤーが,有機化合物錯体の単結晶又は有機化合物の単結晶からなる請求項10に記載のトランジスタ。
- 前記有機化合物の結晶が,[M(Pc)L2]中性ラジカル結晶(Mは金属を示し,Lは軸配位子を示し,Pcはフタロシアニンを示す。)である請求項16に記載のトランジスタ。
- 前記[M(Pc)L2]中性ラジカル結晶が, [Co(Pc)(CN)2]・2CH3OH結晶,[Co(Pc)(CN)2]・2CHBr3結晶,[Co(Pc)(CN)2]・2CH2Cl2結晶,[Co(Pc)(CN)2]・2CHCl3結晶,[Co(Pc)(CN)2]・CH3CN結晶,[Co(Pc)(CN)2]・2(CH3)2SO結晶,[Co(Pc)(CN)2]・2H2O結晶,[Co(Pc)Cl2]・2(CH3)2CO結晶,[Co(Pc)(CN)2]・ 2(CH3)2CO結晶,[Co(Pc)(CN)2]・CH3CH2OH結晶,又は[Co(Pc)Cl2]・CH3CH2OH結晶である請求項18に記載のトランジスタ。
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